Geum.ru

Методические указания к выполнению лабораторной работы по материаловедению Архангельск 2010

Вид материалаМетодические указания

Содержание


Измерение шариком по шкале В
Подобный материал:

Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический

университет


ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


Методические указания к выполнению лабораторной работы по материаловедению


Архангельск 2010

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


Общие сведения о твердости

Под твёрдостью понимают способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое. Измерение твердости является одним из широко распространенных видов механических испытаний металлов. Широкое применение этого вида испытаний обусловлено следующими его преимуществами:

- измерение твердости проводится, как правило, без разрушения изде­лия (образца) и, следовательно, может проводиться непосредственно на гото­вой детали. Габариты деталей при этом могут колебаться в очень широких пределах - от нескольких десятых и сотых долей миллиметра (часовые пружины) до нескольких метров (станины станков, валки прокатных ста­нов);

- методики измерения твердости и подготовки испытуемых образцов сравнительно просты и оперативны; их легко освоить;

- приборы и оборудование для измерения твердости, как правило, проще, чем при других методах испытаний. Их можно установить в любой лаборатории или в соответствующем участке цеха;

- по полученному значению твердости можно сделать предваритель­ные выводы о других механических свойствах металла (сплава), так как большинство свойств металлов и сплавов определяются одним и тем же показателем - его структурой;

- измерение твердости позволяет судить о наличии (или отсутствии) в деталях упрочненных поверхностей в результате различных видов термиче­ской обработки сплавов, связанной с изменением структуры по сечению детали.

Применительно к приведённому выше определению твёрдости существует три способа её измерения, а именно:

1. Способ упругого отскока.

2. Способ вдавливания (внедрения).

3. Способ царапания.

В промышленности используется очень большое количество металлов и их сплавов с самыми разнообразными механическими свойствами.

Это привело к тому, что в настоящее время существует около трех десят­ков методов испытания твердости, относящихся к перечисленным трём способам, причем каждый имеет вполне определен­ную область применения. Среди этого большого многообразия можно выде­лить несколько наиболее распространенных, методов основанных на одних и тех же принципах.

В технической литературе твердость всегда обозначается буквой Н (от англ. Hardness - твердость). Следом за буквой Н всегда пишется одна или две буквы, обозначающие метод испытания твердости, например: НВ -твердость по Бринеллю; HRA, HRB, HRC - твердость по Роквеллу (по шка­лам А, В и С); HV - твердость по Виккерсу; HSD - твердость по Шору; HP -твердость по Польди; Нµ - микротвердость и т.д.

Сущность некоторых методов испытания твердости металлов приведе­на ниже.

Метод Виккерса (HV) заключается во внедрении в испытуемый ме­талл алмазной пирамиды с углом при вершине между противоположными гранями 136°. Усилие вдавливания выбирается в зависимости от толщины и твердости образца и составляет от 1 до 100 кгс. Значение твердости получа­ется делением приложенной к индентору нагрузки на площадь пирамидаль­ного отпечатка, которую определяют по диагонали отпечатка. Метод доста­точно универсален, так как позволяет измерять, практически, твердость лю­бого металла и сплава. Этим методом можно измерять твердость тонких пластин и слоев (до 6,05 мм). Метод требует очень тщательной подготовки поверхности - тонкого шлифования или полировки. Метод Виккерса нежела­тельно применять при измерении твердости крупнозернистых и разнород­ных структур, так как при малом размере отпечатка (соизмеримом с размерами зерна) можно получить большой разброс данных. Микротвердость (Нµ) по своей сути - тот же метод Виккерса. Раз­ница заключается в величине прилагаемой к пирамиде нагрузки - от 5 до 200 гс. Этот метод предназначен для измерения твердости очень тонких и однородных по структуре слоев, а так же отдельных зерен металла (спла­ва). Измерение твердости производится под микроскопом при увеличении от 200 до 400 раз. Метод применяется в лабораторных условиях и, как правило, в исследовательских целях. Для измерения твердости этим мето­дом поверхность образца необходимо полировать.

Метод Польди (HP) заключается в том, что между испытуемой по­верхностью и эталонным образцом помещают стальной закаленный ша­рик диаметром 5... 10 мм. Затем по эталону наносят удар молотком (со стороны противоположной шарику), в результате чего на испытуемом образце и на эталоне твердости получаются отпечатки. Замеряя диаметры отпечатков и зная твердость эталона НВЭ (в единицах Бринелля), вычис­ляют твердость образца НВ0 (также в ед. Бринелля) по выражению: НВ0 = НВЭ · (), где и - диаметры отпечатков на эталоне и на образце. Полученное значение будет примерно равно твердости, определенной ме­тодом Бринелля в стандартных условиях. Этод метод обычно используют для приближенной оценки твердости и когда невозможно использовать стандартные методы, например, на металлобазах, на крупногабаритных деталях и т.д.

Метод Шора (HSD) заключается в том, что на испытуемую поверхность с высоты 19 мм свободно падает боек массой 36 г, боёк имеет алмазный закругленный наконечник. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на высоту h. Твердость материала пропор­циональна высоте отскока. В шкале Шора за 100 ед. твердости принята максимальная твердость закаленной на мартенсит эвтектоидной стали, что соответствует высоте отскока бойка на 13,6мм. Этим методом можно измерять твердость деталей, имеющих массу не менее 5 кг, непосредствен­но на детали. Можно измерять твердость изделий массой до 100г, но при этом изделие должно иметь толщину не менее 10мм и располагаться на столике прибора. Возможно применение этого метода для контроля твердости металла, на­гретого до высокой температуры.

Поверхность изделия (образца), на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований. Она в месте контроля должна быть зачищена до металлического блеска, быть ровной и плоской, не должна иметь следов окалины, ржавчины, краски, грубых рисок, выбоин, царапин. Если деталь имеет криволинейную поверхность, то на ней необходимо подготовить плоскую площадку, размер которой зависит от метода измерения. Поверхность, которой образец ложится на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу. Толщина контролируемого образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости металлических материалов являются методы Бринелля и Роквелла, относящиеся к способу вдавливания (внедрения). Совместное применение этих методов позволяет измерять твёрдость любых по твёрдости металлов и сплавов на их основе.


Измерение твердости по методу Бринелля


При измерении твердости этим методом в поверхность изделия в течение определенного времени с усилием Р вдавливается стальной закаленный или твёрдосплавной шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. На поверхности образца получается отпечаток диаметром d (рис. 1). Для получения значения твердости необхо­димо измерить диаметр отпечатка и рассчитать площадь Fom шарового сегмента по выражению

(1)

Твердость HB (кгс/мм2 *) определятся делением приложенной к ша­рику нагрузки на площадь отпечатка, т.е.

HB= или HB =



Диаметр отпечатка измеряют специальной измерительной лупой с точностью 0,05 мм.

Для получения более точного результата диаметр отпечатка следует измерять в двух взаимноперпендикулярных направлениях.

На рис. 2 показано расположение шкалы лупы относительно кромок отпе­чатка. Диаметр отпечатка, как видно из рисунка, равен 3,95 мм должно быть не менее 4d, а до края образ­ца - не менее 2,5d.

Время нагружения зависит от материала образца и составляет: 10 с - для черных металлов, 30 или 60 с - для цветных сплавов в зависимо­сти от их твердости (от марки спла­ва) - таблица 1.

При измерении тонких образ­цов необходимо соблюдать следую­щее условие: толщина образца S должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка h.

Рис.2. Схема замера диаметра отпечатка.


В противном случае образец может быть продавлен и результат испытания будет неверен. Глубину отпечатка можно определить по выражениям:

или h= (3)

Режим испытания твердости, т.е. выбор диаметра шарика и величины прилагаемой нагрузки производится по данным таблицы. 1.

При определении твердости по стандартной методике (т.е. по дан­ным таблицы. 1) значение твердости записывается одним числом, на­пример: НВ 163. Если же измерение проводилось по другим режимам, то значение твердости записывают с учетом принятых при измерении ре­жимов. Например, запись НВ 5/250/30 - 186 означает, что полученное зна­чение твердости 186 кгс/мм2 было получено при испытании шариком 5 мм, под нагрузкой 250 кгс с выдержкой 30 с.

Следует отметить, что методом Бринелля можно испытывать мате­риалы, твердость которых не превышает 450 ед. по Бринеллю. При большей твердости внедритель - шарик будет деформироваться и измерение будет не точным.

При определении твердости по стандартной методике (т.е. по дан­ным таблицы. 1) значение твердости записывается одним числом, на­пример: НВ 163. Если же измерение проводилось по другим режимам, то значение твердости записывают с учетом принятых при измерении ре­жимов. Например, запись НВ 5/250/30 - 186 означает, что полученное зна­чение твердости 186 кгс/мм2 было получено при испытании шариком 5мм, под нагрузкой 250кгс с выдержкой 30с.

Следует отметить, что методом Бринелля можно испытывать мате­риалы, твердость которых не превышает 450ед. по Бринеллю (при использовании стального закалённого шарика). При большей твердости внедритель будет деформироваться, и измерение будет не точным.

Измерение твердости по Бринеллю производится на специальном приборе - прессе Бринелля, который позволяет устанавливать необходимые нагрузки на шарик в диапазоне 187,5 ... 3000кгс и время приложения нагрузки -10, 30 или 60с.

Между числен­ным значением твердости НВ и пределом прочности на растяжение σв имеет­ся достаточно хорошая связь, которая для некоторых материалов имеет следующий вид:

Материал
Предел прочности на растяжение, σв, кгс/мм2

Сталь
0,34 НВ

Медь, латунь, бронза
0,40 НВ

Алюминий
0,26 НВ

Дуралюмин
0,35 НВ

Сплавы цинка
0,09 НВ

Чугун серый




Таблица 1. Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от толщины и материала образца

Материал
НВ

кгс/мм2
Толщина испытуемого образца S, мм
Диаметр

шарика D,

мм
Нагрузка Р,

Кгс
Время под нагр., с

Чёрные металлы
140 - 150
>6
10
30D2 3000
10

3-6
5
30D2 750

<3
2,5
30D2 187,5

<140
>6
10
10D2 1000
10

3-6
5
10D2 250

<3
2,5
10D2 62,5

Цветные металлы на основе меди; дуралюмины
>130
>6
10
30D2 3000
30

3-6
5
30D2 750

<3
2,5
30D2 187,5

35 - 130
>6
10
10D2 1000

30

3-6
5
10D2 250

<3
2,5
10D2 62,5

Магн. спл., алюминий, олово, свинец, баббит
8 - 35
>6
10
2,5D2 250
60

3-6
5
2,5D2 62,5

<3
2,5
2,5D2 16,5



Задание по работе

  1. Выбрать режим испытания твердости предложенного образца (из черного или цветного металла).
  2. Согласовать полученные режимы с преподавателем и произвести испытания на твердость.
  3. Результаты испытания занести в таблицу.
  4. Отчет должен также содержать основные понятия о твердости и описание сущ­ности метода Бринелля.


Таблица 2. Результаты измерения твёрдости по Бринеллю

Материал образца
Толщина образца S, мм
Диаметр шарика D, мм
Нагрузка Р, кгс
Диаметр отпечатка d, мм
Твёрдость, HB
σв,

кгс/мм2

1
2
Сред.
Расч.
Табл































































































Измерение твердости по методу Роквелла


При измерении твердости по Роквеллу внедрителем служит или алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм, или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм (1/16). Внедритель вдавливается в испытуемый материал под действием двух последова­тельно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0, равной 10 кгс и основ­ной Р1, таким образом, общая нагрузка Р на внедритель в момент нагружения равна Р = Р0 + P1 (рис.3). Предварительная нагрузка всегда равна 10 кгс (независимо от внедрителя), а основная нагрузка колеблется в зависимости от внедрителя и испытуемого материала. Если внедрителем служит алмаз­ный конус, то основная нагрузка P1 может быть или 50, или 140 кгс (об­щая нагрузка 60 и 150 кгс); если внедрителем является шарик, то основная нагрузка всегда равна 90 кгс (общая 100 кгс).

При использовании в качестве внедрителя алмазного конуса твер­дость материала оценивается по двум шкалам - А и С. На индикаторе прибора обе эти шкалы совмещены в одну, имеющую 100 делений (чер­ная шкала). При нагрузке на индентор 60 кгс эта шкала называется шка­лой А и твердость в этом случае обозначается как HRA, если нагрузка составляет 150 кгс, то шкала называется шкалой С и твердость в этом случае обозначается как HRC.

Если же внедрителем служит шарик (нагрузка на него 100 кгс), то отсчет твердости производится по шкале В (красная шкала), имеющей 130 делений и твердость в этом случае обозначается как HRB.

Мерой твердости в методе Роквелла является глубина проникновения внедрителя в испытуемый материал: одной единице твердости соответству­ет внедрение индентора на 0,002 мм. Схема измерения твердости конусом показана на рис.3; схема измерения шариком совершенно аналогична. Из рисунка видно, что вначале испытания индентор под действием предвари­тельной нагрузки Р0= 10 кгс вдавливается в поверхность на глубину ho (поз.1). Затем прикладывается основная нагрузка P1 и под действием этой суммарной нагрузки Р = Р0 + P1 индентор внедряется в испытуемую по­верхность на максимальную глубину, производя пластическую и упругую деформацию материала (поз.2). После того как нагружение закончилось (примерно в течение 5с), снимают основную нагрузку, оставляя предвари­тельную.

Под действием упругих сил внедритель частично поднимается вверх и занимает





Рис.3. Схема измерения твердо­сти по Роквеллу


положение, соответствуещее глубине проникновения h (поз.З), которая и характеризует твердость металла.

Шкалы прибора, с которых снимаются показания твердости, проградуированы в соответствии с глубиной ho.Численное значение твердости (безразмерная величина) указывается стрелкой индикатора по соответствующей шкале. Это обстоятельство объясняет удобство, простоту и быстроту определения твердости методом Роквелла. Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравнительно мягких материалов. Но методом Роквелла не рекомендуется измерять, например, твердость серых чугунов и цветных сплавов, содержащих структурные составляющие, резко отличаю­щиеся по своим механическим свойствам. Это объясняется тем, что отпе­чаток, получаемый при вдавливании конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно мал и не всегда может равномерно охватить все составлящие, что приведет к большому разбросу данных по твердости.

Выбор режимов испытания.

При выборе режимов испытания твердости необходимо ориентиро­вочно знать примерную твердость сплава (твердый, мягкий) и толщину образца.

Измерение шариком по шкале В применяется для отожженных и нормализованных сталей, меди и ее сплавов, дуралиминов и других спла­вов, с твердостью HRB в диапазоне 25...100 ед. (НВ = 65...240). Мини­мальная толщина образца 0,7 мм.

Измерение твердости конусом по шкале С применяется для закален­ных сталей и сталей после отпуска. Пределы измерения в этом случае составляют примерно HRC 20...67 (НВ 220...710). Минимальная толщина образца 0,7 мм.

Измерение твердости конусом по шкале А применяется в тех слу­чаях, когда нельзя применить измерение по шкале С. Это бывает в двух случаях:
  1. - когда измеряется твердость очень твердых материалов (твердые и минералокерамические сплавы и др. инструментальные материалы). Применение в этом случае шкалы С, т.е. нагрузки на конус 150 кгс, может привести к поломке алмаза,
  2. - когда необходимо измерить твердость тонких и твердых пластин и слоев, например, цементационного слоя (толщиной 0,4...0,7 мм). Примене­ние в этом случае нагрузки 150 кгс приведет к продавливанию измеряе­мого слоя (образца).

Пределы измерения твёрдости по HRA составляют обычно 70…85 ед. (НВ 360…710).

В таблице 3 приведены режимы испытания твёрдости по Роквеллу.

Таблица 3. Режимы измерения твёрдости по Роквеллу.

Ма-териал
Тверд.,

НВ
Внед-ритель
Наг-руз

ка,

кгс
Шка-ла
Обозн. Твёрд.
Пределы изм. ТВ.
Min тол-щина, мм

Мягкие металлы
<230
Стальной шарик
100
В
HRB
25…100
0,7

Закал.и отпущен-ные стали
230-700
Алмазн. Конус
150
С
HRC
20…67
0,7

Твёрдые сплавы и тонкие изд.
>700
Алмазн. конус
60
А
HRA
70…85
0,4


Измерение твердости производится на специальном приборе - твердо­мере Роквелла, который позволяет устанавливать нужный внедритель и прилагать на него соответствующую нагрузку. Работа на приборе проводит­ся в присутствии преподавателя (лаборанта).


Задание по работе
  1. Изучить и занести в отчет основные положения по определению твердости методом Роквелла.
  2. Выбрать режимы испытания твердости образ­ца, предложенного преподавателем.
  3. Результаты испытания занести в табли­цу 4.


Таблица 4. Результаты измерения твердости по Роквеллу



Ма-териал
Тип внед-рителя
Нагрузка Р, кгс
Шкала
Обозначение твердости
Значение твердости
Твердость по Бринеллю, НВ
































































Для сравнения твердости материалов, определенной различными спо­собами, существует переводная таблица - см. приложение. По этой же таб­лице можно определить твердость по Бринеллю, зная нагрузку и диаметр отпечатка.

Контрольные вопросы
  1. Что такое твёрдость?
  2. Какие требования предъявляются к поверхности изделия (образца) при измерении твёрдости.
  3. Какие материалы можно измерить методом Бриннеля.
  4. Как выбрать режим испытания на твёрдость на приборе Бриннеля.
  5. Каким прибором и как замерять диаметр отпечатка от внедрителя на приборе Бриннеля.
  6. Как подсчитать твёрдость образца (детали) по Бриннелю после его испытания.
  7. Какие существуют зависимости между твёрдостью и пределом прочности материала на растяжение.
  8. Какие имеются внедрители и нагрузки при испытании материалов по методу Роквелла.
  9. Как правильно выбрать режим испытания на приборе Роквелла?
  10. На каком твёрдомере результаты измерения твёрдости точнее?
  11. Что обозначает HRB, HRC, HRA.


ПРИЛОЖЕНИЕ

Твёрдость по Бринеллю
Твёрдость по Роквеллу
Твёрдость по Виккерсу, HV
Твёрдость по Шору, HSD

Диаметр отпечатка d, мм
D =10 мм

Р = 3000 кгс
HRC
HRA
HRB

1
2
3
4
5
6
7

2,20
782
72
89
-
1220
107

2,30
713
67
85
-
1021
96

2,40
652
63
83
-
867
88

2,50
600
59
81
-
746
81

2,55
578
58
80
-
694
78

2,60
555
56
79
-
649
75

2,65
532
54
78
-
606
72

2,70
512
52
77
-
587
70

2,75
495
51
76
-
551
68

2,80
477
49
76
-
534
66

2,85
460
48
75
-
502
64

2,90
444
47
74
-
474
61

2.95
430
45
73
-
460
59

3,00
415
44
73
-
435
57

3,05
402
43
72
-
423
55

3,10
387
41
71
-
401
53

3,15
375
40
71
-
390
52

3,20
364
39
70
-
380
50

3,25
351
38
69
-
361
49

3,30
340
37
69
-
344
47

3,35
332
36
68
-
335
46

3,40
321
35
68
-
320
45

3,45
311
34
67
-
312
44

3,50
302
33
67
-
305
42

3,55
293
31
66
-
291
41

3,60
286
30
66
-
285
40

3,65
277
29
65
-
278
39

3,70
269
28
63
-
272
38

3,75
262
27
64
-
261
37

3,80
255
26
64
-
255
36

3,85
248
25
63
-
250
36

3,90
241
24
63
100
240
35

3,95
235
23
62
99
235
34

4,00
238
22
62
98
226
33

4,05
223
21
61
97
221
33

4,10
241
20
61
97
217
32

4,15
212
19
60
96
213
31

4,20
207
18
60
95
209
30

4,25
202



59
94
201
30

4,30
196



58
93
197
29

4,35
192
-
58
92
190
29

4,40
187
-
57
91
186
28

4,45
183
-
56
89
183
28

4,50
179
-
56
88
177
27

4,55
174
-
55
87
174
27

4,60
170
-
55
86
170
26

4,65
166
-
54
85
166
26

4,70
163
-
53
84
163
25

4,75
159
-
53
83
159
25

4,80
156
-
52
82
156
24

4,85
153
-
52
81
153
24

4,90
149
-
51
80
149
23

4,95
146
-
50
79
146
23

5,00
143
-
50
78
143
22

5,05
140
-
-
77
140
21

5,10
137
-
-
75
137
21

5,15
134
-
-
74
134
19

5,20
131
-
-
73
131
19

5,25
128
-
-
72
128
19

5,30
126
-
-
71
126
19

5,35
124
-
-
70
124
19

5,40
121
-
-
68
121
19

5,45
118
-
-
67
118
19

5,50
116
-
-
65
116
19

5,55
114
-
-
64
114
18

5,60
112
-
-
63
112
18

5,65
109
-
-
61
109
18

5,70
107
-
-
60
107
18

5,75
105
-
-
58
105
18

5,80
103
-
-
57
103
18

5,85
101
-
-
56
101
17

5,90
99
-
-
55
99
17

5,95
97
-
-
53
97
17

6,00
95
-
-
51
95
17



ОГЛАВЛЕНИЕ
  1. Общие сведения о твердости 3
  2. Измерение твердости по методу Бринелля 6
  3. Измерение твердости по методу Роквелла 10
  4. Контрольные вопросы 14
  5. Приложение 14